低壓配電網內無功功率補償、諧波治理等技術的解決方案

2013-11-29 10:44:16

隨著國民經濟的快速發展和持續增長,  電力供應的嚴重不足已製約了國民經濟發展的速度。而要緩解當前乃至今後一個時期電力供需之間的矛盾, 並從根本上解決問題, 除了國家及地方加大對電力建設的投資力度、增加發電量這一主渠道外, 節約用電、合理用電-采用各種節電措施, 最大限度地利用現有各種電力設施資源也是非常重要的、也是很有必要的。就是要開源與節流並舉。 
  眾所周知, 利用無功功率補償技術來挖掘現有電力資源潛力, 是一種能夠迅速見效的、切實可行的措施之一, 同時也能夠節約大量的電力能源。 
  1.無功功率補償技術應用方案的確定
  1.1無功功率補償的概念
 1.1.1無功功率和有功功率一樣是輸配電網中不可缺少的組成部分, 無功功率對供電係統負載係統的正常運行是十分重要的、也是必需的。
  1.1.2由於電網中存在大量的感性負載, 所以就需要供電部門提供足夠的無功功率。如果這些無功功率都有發電機(廠)發出並通過長距離的輸電線路傳送到所需的地方, 這顯然是不合理、不經濟的, 實際上也是不可能的。而合理的也是最有效的方法就是在需要無功功率的地方或附近產生(發出)無功功率, 即無功功率補償。
   1.2無功功率補償的作用
 1.2.1由於無功功率的存在, 對電網也會帶來不利的影響, 主要表現在以下方麵:
  (1) 無功功率的增加, 導致電流的增大和視在功率的增加, 從而使發電機、變壓器、起動及控製設備和導線等電氣設備容量的增加。
  (2) 供電設備及線路損耗增加。
  (3) 變壓器及線路的電壓降增大, 使供電網電壓產生波動。在電網中, 有功功率的波動一般對電網電壓的影響較小, 電網電壓的波動主要是無功功率的波動引起的。如果是衝擊性無功功率負載, 還會使電網產生劇烈的波動, 甚至發生事故。
   1.2.2無功功率補償的作用就是要盡量減少無功功率對電網的影響。其作用主要有:
  (1) 提高供電係統及負載的功率因數, 降低輸電線路及用電設備的容量和負荷, 減少功率消耗。
  (2) 穩定用電端及電網的電壓, 提高供電質量, 增加輸電係統的穩定性, 提高輸電能力。
  (3) 平衡三相負荷, 減少無功功率對電網的衝擊。
  1.3無功功率補償的方法
 隨著電力電子控製技術和計算機應用技術的逐步成熟, 用於無功功率補償的方法日益增多, 且補償效果也越來越明顯, 其帶來的經濟效益和社會效益也是巨大的。
  1.3.1同步調相機
  同步調相機是早期的無功功率補償方法, 已實際應用數十年, 在電壓和無功功率控製中發揮了非常重要的作用, 同步調相機不僅能補償固定的無功功率, 對變化的無功功率也能進行動態的連續的補償, 而且對於容性、感性無功功率均能起到補償的作用。但由於其自身的諸多缺點, 使其應用越來越少, 目前已基本上遭淘汰, 被新的補償方式所取代。
  1.3.2並聯電容器及其裝置
  在各種無功功率補償方法中, 並聯電容器由於其簡單的結構, 方便、靈活的安裝方法, 較低的運行費用和低廉的產品價格等方麵的特點, 已使其成為當今無功功率補償技術中使用的主導產品。尤其是隨著電容器製造技術的日益成熟, 其質量水平、壽命等級、安全運行可靠性等指標得以大大提高品種、規格也越來越齊全, 為補償裝置的設計和製作帶來了極大的便利。故由其為主體製作的各種電容器補償和濾波成套裝置的應用領域也越來越廣泛。已逐步取代了傳統的同步調相機。
  但是並聯電容器也有其不足之處:例如, 隻能分級補償固定的無功功率(其補償精度決定於電容器組中單台電容器的電容量), 而不能實現連續、線性的補償。另外, 在係統中存在諧波時, 還可能與係統中的固有電抗產生並聯諧振, 使諧波電流放大(可達額定電流的幾倍甚至幾十倍), 導致電容器及相關元器件和線路嚴重過載而燒毀。 
  1.4無功功率補償的方式
  按補償裝置的工作方式可分為:(1)三相共同補償(2)三相分別補償(3)共補、分補相結合的綜合補償。
  1.5無功功率補償方案的確定
 根據供、用電係統的無功功率實際需求情況, 決定采取並聯電容器進行無功功率補償時, 要對所采用裝置的類型及配置方案進行策劃、設計、確認。在確定最終方案時需要考慮多方麵的影響因素, 還要吸取現有各種裝置運行的經驗和教訓。 
  因需要進行無功功率補償的位置不同, 要達到的預期目標有所區別, 而負載的性質以及供、用電質量也不一樣, 同時也要從經濟角度(投資成本)去考慮, 所以要從實際情況出發對各種方案進行綜合的評定, 從中選擇出合適的方案來。
  1.5.1在有條件的情況下或必需時, 要對擬補償係統的電能質量進行測試, 分析和評估。這項工作需要專用的測試儀器並由專業技術人員來完成。這一點是非常重要的, 對於一個完整、有效的解決方案以及整套裝置的設計和製作可以說是不可缺少的環節。而以前乃至現在大多數的補償裝置在設計製作之前都沒有認真進行此項工作, 或者說有不少的生產企業根本就沒有技術和能力進行此項工作, 在製作裝置之前僅憑以往的經驗或參考同行廠的樣機。這是目前在運行的大多數無功功率補償裝置補償效果不理想, 達不到設計的功能, 而且經常出現故障, 不能正常工作(有些已棄之不用), 乃至發生火災事故的主要原因之一。另外, 在裝置設計時, 所選元器件的質量以及各種元器件之間參數的匹配是否合理或組裝工藝等也是很重要的原因。
  1.5.2補償裝置是否需要配置諧波治理功能(抑製或吸收)
  隨著各種新型電子設備/裝置(主要是非線性負載)的安裝使用, 在大量消耗無功功率的同時還會產生大量的諧波, 對公用電網造成了很大的“汙染”。由於諧波的產生和存在, 已對電網的安全運行及用電設備的安全帶來很大的危害, 而由於諧波原因造成的電力事故和經濟損失也是有目共睹的。“諧波”-這一電網的公害, 現已引起相關部門越來越多的關注。
  (1)根據GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》的要求, 必須對各種非線性負載注入電網的諧波電壓和諧波電流加以限製。當負載產生諧波或供電係統中存在諧波且超標時, 則需要設置濾波無功補償裝置。反之, 則不需要。
  (2)在有些場合, 雖然諧波未超過標準的規定, 但已影響到係統的正常工作時, 也需要設置濾波無功補償裝置。
  (3)在一些特殊場合, 例如:醫院、賓館、寫字樓、智能小區、民航、軍事、科研、精密測量、礦山、碼頭、冶金等, 都應該設置濾波無功補償裝置, 甚至需要配置專用的濾波裝置。
  (4)在同一供電係統(同一變壓器)中, 當非線性負載(整流/變頻、中/高頻等設備, 一般情況下是諧波源)容量占總容量的25%以上時, 就應該配置濾波無功補償裝置。
     隨著科學技術的不斷發展, 我國工業化程度的逐步提高, 傳統的無功功率補償裝置(這種方案純由並聯電容器組構成), 在越來越多的場合將不能正常的使用, 將逐步被具有濾波功能的補償裝置以及不斷出現的新型裝置所取代。  
  1.5.3補償裝置需要采用何種控製類型 
  (1)當需要無功功率補償位置的供電質量較好 負載的無功功率變化不大(負荷相對穩定) 係統中無諧波或諧波含量較少 可考慮采用相對固定的控製方法(固定分組、循環投切)-靜態無功補償裝置。 
  (2)對於負載無功功率變化較大(快)而且頻繁的場合係統中無諧波或諧波含量較少 則需要進行動態控製(非固定分組、快速編碼投切)—動態無功補償裝置。
  (3)對於單台的大功率平衡性負載或相對集中的小型設備, 則可考慮采用靜止的就地補償裝置。 
  2.補償裝置所需元器件的選取 
  補償方案確定後, 就要對製作裝置所需用的元器件進行功能、質量、價格等方麵的分析和選取。此項工作對製作一套性能優良, 運行安全可靠的裝置來講是至關重要的, 是不能忽視的一個環節。因為同類元器件的生產廠家不計其數, 功能不盡相同, 價格也有很大的差別, 而產品質量或壽命之間的差異就更大了。所以, 當麵對五花八門的同類產品時, 有關人員就不知如何選取了, 再由於所掌握的資料不全, 更有甚者隻關注產品的價格因素, 而忽略了質量水平、性能指標, 以及產品功能等內在的因素, 故往往不能選擇到最合適的元器件, 甚至錯誤地選用了不符合使用功能要求的元器件, 為裝置的安全運行埋下了隱患。 
  2.1 控製器的選取
  控製器是無功功率補償裝置中很重要的器件, 是成套裝置的指揮係統, 它的質量優劣, 功能配置, 抗幹擾能力等指標, 決定了整套裝置運行的質量水平。而在無人值守的運行條件下(例如:箱式變電站等), 就顯得尤其重要, 在選型時更要慎重。時更要慎重。更要慎重。
  目前市場上控製器的品種很多, 型號不統一, 功能、價格的差別是很大的, 要在眾多品牌的控製器中選擇一種合適的, 首先要結合裝置的具體情況從控製器所具有的各種功能以及控製物理量等方麵來考慮, 同時也要關注價格因素。關於控製器的型號及控製物理量在有關行業標準DL/T597-1996中已有明確規定, 多數企業的產品是按此標準來命名的, 也有部分企業的產品是按自己的企業標準來命名的。無論產品型號如何命名, 關鍵是要視其基本功能和具體裝置的配置方案來選取, 否則不是功能過剩(采購成本提高)就是功能不夠而影響使用效果。 
  關於控製器的種類如何選擇, 在有關標準DL/T842-2003中有相關的闡述。自動控製物理量可優先選擇下列方式:(1)無功功率控製, 功率因數限製(2)無功電流控製, 功率因數限製(3)無功功率或無功電流控製, 電壓限製。 
  另外, 經對已投入運行的補償裝置中控製器使用情況的調查發現:凡是低價格的控製器, 幾乎都把功率因數作為控製物理量。在使用此類型控製器的裝置中, 能夠正常運行的比例很小, 故障率很高, 有的已棄之不用而改用手動控製。這是因為此類控製器的抗幹擾能力較差, 同時由於采用功率因數作為控製物理量, 容易發生振蕩投切, 致使接觸器、電容器等元器件的損壞。在此提請有關人員關注。 
  2.2 投切器的選取
  對於無功功率補償裝置來說, 選擇何種電容器投切執行機構, 對整套裝置的安全運行是至關重要的, 目前用於電容器投切的執行元件有多種, 歸納起來主要有:
  (1)普通接觸器
  此種產品屬早期的方案, 目前已基本淘汰不用。
  (2)電容器專用接觸器
  此種產品是在普通接觸器的基礎上增加限流電阻或限流線圈的方案來限製合閘湧流的。由於此產品安裝接線方便、運行費用低且價格低廉, 是目前市場上的主導產品。但此類產品仍然會產生投切湧流和關斷時的過電壓, 故僅適用於負載無功功率變化不大且不頻繁、係統工作較平穩的場合。另外, 此類產品生產廠家重多, 名稱、型號繁雜, 質量、價格相差很大, 請在選用時注意。
  (3)無觸點電子開關
  此種產品是由晶閘管(可控矽)及過零觸發、吸收保護等電路組成的投切器。隨著動態無功功率補償裝置的推廣應用, 製作技術的不斷提高, 同時晶閘管模塊的價格也大幅度下降, 使得該種投切器的應用量正逐步增加。但此類產品的組裝工藝複雜、體積較大、功耗較高、發熱嚴重(需配置專用散熱器及排風扇)、價格偏高。而且在運行時會產生諧波, 對係統會產生一定的幹擾和影響。
  (4)機電一體化複合開關
  此種產品是近年來發展起來的一種電容器投切器, 有分體組合式和一體化兩種結構形式, 其投切原理是一樣的。該產品綜合了電容器專用接觸器和無觸點電子開關的優點並克服了兩種產品的缺點。由於其獨特的性能, 故發展很快。另外其產品係列逐步增加, 質量水平大幅提高, 製作成本也在下降, 大有取代電容器專用接觸器和無觸點電子開關的趨勢。 
  2.3 並聯電容器的選取
  並聯電容器是無功功率補償裝置的主體, 其質量的好壞, 運行的可靠性, 將直接影響整套裝置的使用效果和壽命。要選擇一種優質的電容器應從以下幾個方麵考慮:
  (1)電容器額定電壓的確定
  由於並聯電容器需要長期、全額在電網中工作, 而電容器的實際工作電壓與其使用壽命又有直接的關係, 根據可靠性試驗理論可知:當電容器的工作電壓每提高10%, 其壽命將減少一半。所以, 確定電容器的額定電壓是非常重要的。電容器額定電壓的選取由下列因素決定:a. 供電網的電壓水平b. 諧波背景, 當電容器在含有諧波的環境下工作時, 諧波電壓將疊加到電容器的基波電壓上, 會使電容器的實際工作電壓升高(Uc=U+SUi)c. 是否加裝串聯電抗器。為限製投切電容器時的合閘湧流, 為抑製諧波避免諧振或為消除(吸收)諧波, 都需要在電容器支路中串聯電抗器。由電工學原理可知, 當電容器與電抗器組成串聯回路再接入電網時, 電容器兩端的電壓將高於電網電壓, 其升高幅度由所串聯電抗器的電抗率(P)來決定:Uc=U/(1-P) 
  綜合以上因素, 認為在低壓0.4kV電網中(變壓器實際輸出電壓會高於0.4kV)設置的無功功率補償裝置中安裝的電容器, 在一般情況下應選擇額定電壓為0.45kV係列的產品, 而用於諧波抑製或濾波裝置中的電容器, 根據串聯電抗器的電抗率不同, 其額定電壓應選擇0.48kV或0.525kV係列的產品。 
  (2)電容器額定溫度等級的確定
  電容器工作時其周圍的溫度(略高於環境溫度), 對電容器使用壽命的影響是很大的, 因為, 根據絕緣材料的壽命理論:當電容器的工作溫度每升高7-10℃時, 其壽命將縮短一半。但由於溫度對電容器壽命的影響是緩慢的, 所以經常被忽視。
  在電容器產品國家及行業標準中僅列出A、B、C、D四個溫度等級, 而實際應用中, 有許多場合(如箱變、高溫地區等)的環境溫度已高於D級(+55℃)。這就要求設計人員在選擇電容器時與相關製造廠進行溝通, 要求提供更高溫度等級的產品。
  (3)電容器額定容量及內部連接方式及結構的確定
   當補償裝置的總容量及投切方式和組數確定後, 還需對單台電容器的電容量、外形結構尺寸、安裝方式(垂直、水平)、以及內部連接形式(D、Y、Yn、Ⅲ)和填充料種類(幹式、油漬式)等參數進行選擇。 
   並聯電容器輸出的無功功率與其工作電壓的平方成正比, 當實際工作電壓與額定電壓不一致時, 其實際輸出的無功功率與其額定值是不相等的, 實際輸出無功功率可用下式表述:Qc=(Uc/Un)2.Qn 
   由於采用補償方式不同, 需要電容器內部連接的方式有所不同, 根據需要, 電容器內部可接成D、Y、Yn、Ⅲ等形式。而由於裝置安裝位置(如:在地下供、用電設施,易然、易爆環境中安裝使用的電容器)安全等級的要求,有時需要幹式、無油化的電容器。關於低壓電容器的選用,在國家相關行業規範中已有明確的規定:根據“民用建築電氣設計規範”(JGJ/T16)的要求,設置在民用主體建築中的低壓電容器應采用非可燃性油浸式或幹式電容器。在特殊情況下還會因為櫃體尺寸的限製, 電容器體積需要小型化, 且能夠進行水平方向安裝。 
   圓柱形金屬(鋁)外殼電容器能夠極大限度地滿足以上要求, 已經越來越多地被多種成套裝置所選用, 尤其是在大容量(比如補償容量大於300kvar)的補償櫃中及小體積就地補償櫃中, 則是唯一選擇。圓柱形電容器因其具有諸多的優點, 而被越來越多的人們所認識和接受,而用圓柱形電容器組裝製作的補償櫃,不久將會逐步取代采用傳統結構電容器組裝的補償櫃,必將成為無功補償領域的主導產品。   
  2.4 串聯電抗器的選取 
   隨著電網汙染程度的加重,為保證補償裝置安全可靠的運行,需要加裝串聯電抗器以抑製或濾除諧波,同時也限製了電容器投切時產生的湧流。 
   電抗器與電容器組成串聯回路後, 也需要長期承受不斷增加的負荷, 如果電抗器的質量不好, 就會在運行中過度發熱, 尤其是工作在諧波環境下的電抗器發熱將更加嚴重, 將可能導致發生火災事故。 
   對於電抗器的質量對補償裝置安全運行的影響, 現在許多人的認識是不夠的, 尤其是在低壓電網係統中。另外, 由於電抗器的價格較高, 在選用時經常會選擇體積較小, 價格便宜的產品, 而往往不是最佳方案。從物理學角度來講, 要保證電抗器長期安全可靠地運行, 足夠的導線截麵積和繞組的設計選取是基本的前提。 
   電抗器的電抗率及電感值是要經過嚴格計算並經修正後確定的, 不能隨意選取, 否則不但達不到預期的效果, 反而會帶來危害(可能產生諧振而引起諧波電流放大)。關於電抗器的電抗率的選取, 在相關的標準中都有相應的描述。通常情況下, 用於限製湧流的電抗器其電抗率在0.1%~1%之間選取用於諧波抑製(失諧)回路的電抗器其電抗率在4.5%以上選取用於諧波濾除(調諧)回路的電抗器其電抗率則需要根據所濾除諧波的次數, 通過計算得出。 
  2.5 保護元件的選取
  對於一套優質的補償裝置, 除需在額定的工作條件下安全運行外,還要保證在外部係統異常或故障時,能夠自行保護, 這就要求裝置具有良好的保護係統。這一點,在實際應用中是非常重要的,一定要引起足夠的重視。 
   在裝置中起保護作用的元件主要有:控製器內部的各種保護功能(過壓、欠壓、缺相、小電流、諧波越限等),熔斷器, 熱繼電器,,斷路器, 溫控開關,排風扇, 放電電阻(線圈), RC吸收組件,散熱器等。各種保護元件規格的選用, 要經過嚴格的設計、計算,慎重選取, 過大、過小都是不合理的。若選取不當,不但起不到保護作用,反會帶來危害。

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